TVS瞬态电压抑制二极管原理应用特性详解

TVS瞬态电压抑制二极管原理应用特性

瞬态抑制二极管(TVS)又叫钳位型二极管，是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压钳制在预定水平，其响应时间仅为10-12毫秒，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。TVS允许的正向浪涌电流在TA=250C，T=10ms条件下，可达50～200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压钳制到预定水平， 双向TVS适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等，是一种理想的保护器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS(Transient Voltage Suppression)是一种限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。TVS管的主要参数有：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。

TVS的响应时间可以达到ps级，是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要求。TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型TVS一般在几百～几千pF的数量级，低结电容型TVS的结电容一般在几pF～几十pF的数量级。一般分立式TVS的结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中，应主要选用低结电容的TVS管。

TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的过电流增大时，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，因此可以获得比压敏电阻更理想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用TVS管时，一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很适合在单板上使用。

TVS具有的另一个优点是可灵活选用单向或双向保护器件，在单极性的信号电路和直流电源电路中，选用单向TVS管，可以获得比较低的残压。TVS的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR为直流TVS的反向击穿电压，Umax是直流回路中的电压峰值。

TVS管主要可用于直流电源、信号线路、天馈线路的防雷保护。TVS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂而开路。TVS管的使用寿命相对较长。

瞬态电压抑制器是一种二极管形式的高效能保护器件，具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极 高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的元器件免受损坏。本文讲述了TVS器件的主要特性 参数和选用注意事项，同时给出了TVS在电路设计中的应用方法。

1 TVS器件的特性及主要参数

1.1 TVS的器件特性

在规定的反向应用条件下，TVS对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时，TVS就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式 使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS的箝制电压。当过压条件消失后，TVS又恢复到高阻抗状态。 与陶瓷电容相比，TVS可以承受15 kV的电压，但陶瓷电容对高压的承受能力比较弱。5 kV的冲击就会造成约10%陶瓷电容失效，而到10 kV时，其损坏率将高达到60%。

1.2 TVS器件的主要参数

(1)最小击穿电压VBR

当TVS流过规定的电流时，TVS两端的电压称为最小击穿电压，在此区域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃时，低于这个电压，TVS是不会发生雪崩击穿的。

(2)额定反向关断电压VWM

VWM是TVS在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。但它又需要尽量与被保护电路的正常工作电压接近，这样 才不会在TVS工作以前使整个电路面对过压威胁。按TVS的VBR与标准值的离散度，可把VBR分为5%和10%两种，对于5%的VBR来 说，VWM=0.85VBR腿;而对于10%的VBR来说，VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脉冲电流IPP

Ipp是TVS在反向状态工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。

(4)箝位电压Vc

当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之 比称为箝位因子(系数)，其值一般在1.2～1.4之间。实际使用时，应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压，否则被保护器件将面临被损坏的可能。

(5)最大峰值脉冲功耗PM

PM通常是最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积，也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大钳位电 压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不可重 复施加的。

(6)电容量C

TVS的电容是由其硅片的截面积和偏置电压来决定的，它是在1 MHz特定频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大，将使信号衰减。因此，电容C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

(7)漏电流IR

IR是最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管的漏电流。当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流IR一个重要参数。

2选用TVS的注意事项

在选用TVS时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：

首先，由于双向TVS可以在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平。因此，若电路有可能承受来自两个方向的浪涌电压冲击时， 应当选用双向TVS。双向TVS一般适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。另外，箝位电压Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压。

其次，就是最大峰值脉冲功耗PM必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。但是，在实际应用过程中，浪涌有可能重复地出现，在这种情况下，即使单 个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但是，如果重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，也可能在某些情况下超过TVS器件所能承受的脉冲 能量。因此，在电路设计时，必须在这点上认真考虑并选用合适的TVS器件，以使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至于超过TVS器件的脉冲 能量额定值。

第三，在实际应用过程中，对最大反向工作电压必须有正确的选取，一般原则是以交流电压的1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1～1.2倍来选取TVS管的最高反向工作电压。

3 TVS在电路设计中的典型应用

在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS在线路板上与被保护线路并 联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TNS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避 开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。